2.2 Измерительные генераторы

Низкочастотные измерительные генераторы синусоидальных сигналов

При испытаниях, исследованиях, измерениях режимов различных радиоэлектронных схем необходимы источники сигналов самых разнообразных частот и форм. С помощью этих источников, называемых измерительными генераторами сигналов, определяют характеристики устройств, например амплитудно-частотные и переходные характеристики, коэффициент шума и др.; измеряют ряд параметров сигналов методом сравнения, используя источник в качестве меры (частоту гармонического напряжения, частоту следования импульсов); градуируют измерительные приборы, в частности вольтметры; имитируют сигналы, поступающие в исследуемую аппаратуру при реальных условиях ее работы; питают измерительные схемы при определении коэффициента стоячей волны, полных сопротивлений нагрузки и т.п.

Измерительные генераторы - это электронные устройства, формирующие электрические колебания заданной формы, частоты, заданной глубины модуляции и являются источниками переменного напряжения небольшой мощности.       Частоту, форму сигналов, степень модуляции, величину выходного сигнала можно изменять и регулировать в заданных пределах.       Основной характеристикой измерительного генератора является: диапазон генерируемых частот ƒ_мин и ƒ_мак, это диапазон частот выходного напряжения Uвых, точность воспроизводимых колебаний по форме и частоте, точность амплитудного значения задаваемого выходного напряжения.       Частота генерируемых колебаний и величина амплитуды колебаний может изменяться плавно во всем диапазоне частот, или ступенчато, или комбинированно.       В измерительных генераторах погрешность генерируемых частот не превышает 3%, коэффициент нелинейных искажений выходного сигнала не превышает 1,5%.       В зависимости от формы генерируемых сигналов измерительные генераторы классифицируются:             Генераторы шумовых сигналов             Генераторы синусоидальных сигналов             Генераторы несинусоидальных колебаний        Шумовые генераторы Г-25Б, Г2-6Б, Г2-37, Г2-41, Г2-43, являются источниками случайных сигналов с широким спектром частот и калиброванным уровнем выходного напряжения. Шумовые генераторы подразделяются на низкочастотные, высокочастотные и сверхвысокочастотные.       Синусоидальные генераторы генерируют гармонические (синусоидальные) колебания и подразделяются на низкочастотные (0,01 - 20 Гц), высокочастотные, и сверхвысокочастотные.       Диапазон частот инфразвуковых от 0,01Гц до 20Гц, диапазон звуковых частот от 20Гц до 20000Гц, ультразвуковых от 20кГц до 200кГц. Генераторы используются для настройки и испытаний звуковой аппаратуры в кино и телевидении. Распространение получили НЧ генераторы Г3-2, Г3-4, Г3-18, Г3-33, Г3-36, Г3-102, Г3-106 и др.

      Несинусоидальные генераторы делятся на генераторы прямоугольных импульсов, Г5-15, Г5-35, Г547, Г5-48, Г5-54 и генераторы сигналов специальной формы Г6-15, Г6-22, и др. Эти генераторы предназначены для испытания и настройки различных измерительных приборов и цифровой техники. Измерительные генераторы низкой частоты.        Измерительные генераторы низкой частоты, в общем случае, выполняются по следующей структурной схеме (рис.42).  13.2        Г - Задающий генератор низкочастотных синусоидальных колебаний.        УН - Промежуточный усилитель напряжения.        УМ - Усилитель мощности.        V - Вольтметр для контроля величины выходного сигнала.        U-U/n - Аттенюатор (делитель напряжения.        В зависимости от схемы задающего генератора измерительные генераторы делятся на : LC - генераторы(задающий генератор с колебательным контуром), RC -генераторы (задающий генератор представляет собой резистивный усилитель с положительной обратной связью) и генераторы на биениях в котором разница двух сигналов называется биением.        Частота генератора LC может быть оценена выражением:

ƒ²=1/(4π²LC) ;

       Широкое распространение получили генераторы низкой частоты типа RC. Задающее устройство представляет собой усилитель низкой частоты с положительной обратной связью. Структурная схема показана на рисунке (рис.43):       Частоту генерируемого сигнала ƒ можно оценить следующим выражением:

ƒ²=1/(4π²R1·R2·C1·C2);

      Принципиальная электрическая схема задающего генератора измерительного генератора Г3-37 показана на рисунке (рис.44). 12.3        Задающий генератор собран на трех транзисторах VT1, VT2, VT3. На транзисторах VT1, VT3, выполнены усилители напряжения, а на транзисторе VT2 собран усилитель мощности (эмиттерный повторитель) который согласует усилители напряжения.        Положительная обратная связь осуществляется через резисторы R1, R4 . Переключение диапазонов по частоте выполняется переключателем SA1.   Принципы построения низкочастотных цифровых генераторов

К генератору синусоидальной формы предъявляются определенные требования по диапазону задания частоты и амплитуды выходного сигнала, их стабильности и плавности, перестройке частоты и др. Преимущества цифровых генераторов перед аналоговыми: они удобнее в эксплуатации, имеют более высокое быстродействие, простую установку требуемой частоты, более наглядную индикацию. Цифровые генераторы позволяют осуществить автоматическую перестройку частоты по заданной программе; работать в системе с цифровыми средствами обработки информации. Наиболее перспективными в этом отношении являются генераторы, построенные на принципе цифроаналогового преобразования. В цифровых генераторах реализуется метод формирования сигналов при помощи ЦАП. Метод состоит в том, что синусоидальный сигнал u(t_i) =U_maxsin(t_i) аппроксимируется с известной степенью точности кусочно-ступенчатым сигналом, мало отличающимся от синусоидального сигнала (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Аппроксимирующая кривая

При этом возможны три варианта формирования кусочно-ступенчатого сигнала:

1. с равномерным расположением узлов аппроксимации по времени (T_i=const);

2. с равноотстоящими узлами аппроксимации по уровню (u_i=const);

3. с оптимальным (неравномерным) выбором узлов аппроксимации по времени и уровню (T_i = var; u_i = var).

При периоде Тсинусоидального напряжения и шаге дискретизацииТчисло ступенейm=Т/Т. Чем больше число ступеней, тем лучше аппроксимация. Уравнение ступенчатой кривойu(iT) =Umax  sin(i2/m). Упрощенная структурная схема устройства, формирующего ступенчатую кривую, представлена на рис. 5.6.

Рис. 5.6. Устройство формирования ступенчатой кривой

Кварцевый генератор вырабатывает короткие импульсы с периодом следования Т_и. На выходе делителя частоты с регулируемым коэффициентом деления k получается новая последовательность импульсов с периодом следованияТ=kT_и, равным шагу дискретизации. Импульсы поступают в счетчик емкостью m. Кодовая комбинация, определяемая числом i импульсов, накопленных в счетчике, передается в ЦАП, где преобразовывается в аналоговый гармонический сигнал, соответствующий числу i, т.е .u(iT) = U_max sin(i2/m). Таким образом формируются m ступенек. После накопления m импульсов счетчик переполняется и сбрасывается в нуль. Формирование нового периода ступенчатой кривой начинается с приходом (m+ 1)-го импульса. Изменяя шаг дискретизации, можно изменять частоту формируемого сигнала. Информация о значении частоты сформированного сигнала выдается на цифровой индикатор генератора.

Высокочастотные генераторы сигналов

Высокочастотные ИГ являются источниками синусоидальных немодулированных или амплитудно-модулированных электрических колебаний в диапазонах частот 30 кГц50 МГц и напряжений 1 мкВ1 В. Используют их для настройки радиовещательных приемников при измерении характеристик четырехполюсников и питании различных радиоустройств.

Основными узлами ИГ высокой частоты общего применения с амплитудной модуляцией (AM) являются задающий генератор, широкополосный усилитель-модулятор и выходное устройство (рис. 5.7, а).

Задающий LC-генератор вырабатывает синусоидальные напряжения. Диапазон генерируемых частот разбивается на ряд поддиапазонов, перестройка частоты в пределах поддиапазона осуществляется конденсатором переменной емкости, переход же к новому поддиапазону – с помощью коммутации катушек индуктивности. Формирование поддиапазонов можно осуществить, подавая сигнал на цепочку делителей частоты и через совокупность фильтров на модулятор.

Амплитудная модуляция осуществляется в широкополосном усилителе-модуляторе с переменным коэффициентом усиления, управляемым электрическим напряжением. Модулирующее напряжение создается либо внутренним генератором низкой частоты (частота 1 кГц), либо внешним генератором.

Модулирующее напряжение перемещает положение рабочей точки по характеристике U_вых(U_вх) усилителя с разной крутизной. Это приводит к изменению коэффициента усиления для высокочастотного сигнала. На выходе модулятора образуется высокочастотный сигнал, амплитуда которого меняется по закону изменения модулирующего сигнала.

Рис. 5.7. Схема высокочастотного генератора сигналов

Фильтр верхних частот не пропускает модулирующего сигнала и на его выходе образуется последовательность колебаний с разными амплитудами, т.е. высокочастотный амплитудно-модулированный сигнал u_вых(t) (рис. 5.7,б). Амплитудная модуляция контролируется измерителем характеристик модуляции. Значение модулирующего напряжения на входе поддерживается неизменным, а смещение рабочей точки осуществляется с помощью постоянного (опорного) напряжения. Этот процесс в ИГ автоматизирован.

Выходное устройство представляет собой систему калиброванных аттенюаторов, уменьшающих напряжение в целое число раз (кратное 10), и потенциометра, обеспечивающего плавную регулировку выходного напряжения. Электронный вольтметр включен на входе аттенюатора, отградуирован в значениях выходного сигнала. Выход генератора рассчитан на подключение типового коаксиального кабеля с выносным делителем напряжения.

В генераторах высокой частоты предусматривается вспомогательный выход через широкополосный усилитель для точного измерения частоты цифровым частотомером.